Способ исследования тел упругими или электромагнитными волнами Советский патент 1936 года по МПК G01N29/10 

Предложенное изобретение касается способа исследования механических тел, в частности, определения дефектов, раковин и внутренних включений в различных металлических отливках, поковках и вообще различных металлических деталях сложной формы.

Подробное обследование распространения ультразвукового луча в металле показало, что рассеяние ультразвуковых волн определяется, главным образом, фактом многократного отражения их от внешних граней и внутренних неоднородностей в металле. Наличие всевозможных отражений особенно заметно в образцах, имеющих небольшие размеры. Рассеяние колебаний зависит также от условий отливки детали и от того, имеет ли металл крупно-зернистую или мелко-зернистую структуру. При мелко-зернистой структуре рассеяние меньше, чем при крупно-зернистой. Вообще необходимо отметить, что в металлах не наблюдается та направленность ультраакустического луча, какая наблюдается в жидкой среде, а это обстоятельство не обеспечивает точного определения неоднородностей в ряде случаев. Изобретение имеет целью обойти указанные выше недостатки и

дать возможность все же испытывать детали мелких размеров с небольшими внутренними включениями.

Если толщина исследуемого образца равна I, то время t, потребное для прохождения ультраакустического луча от одной грани до другой по прямой линии (если металл однороден), будет

/ равно -, где с - скорость распространения звука. Если же на пути луча встретится неоднородность, то время прохождения луча от одной грани до другой будет уже иное: i, где Yi , так как луч, огибая неоднородность, будет проходить расстояние, ббльшее, чем I - t.

Учет этой разницы позволит судить о наличии неоднородности в исследуемом металле. Для определения этой разницы Д предлагается устройство, изображенное на фиг. 1 и состоящее из генератора высокой частоты, возбуждающего кварцевый вибратор 1, который посылает в исследуемую среду 3 ультраакустический луч, возбуждающий кварцевый резонатор 2; к последнему присоединен приемник 5. Когда к генератору 4 подводится от модуляциовиого генератора 6 напряжение в положительной фазе, приемник 5 заперт, так как в это время к нему подводится отрицательный полупериод. Когда же на генератор подается отрицательная полуволна модуляции, генерация колебаний не возникает, но приемное устройство становится действующим, так как в это время к нему подводится напряжение в положительной фазе.

Таким приемом можно избавиться от непосредственного влияния генератора высокой частоты на усилитель и он, следовательно, остается включенным только на время действия упругих волн на приемник, так как ультраакустические колебания пройдут путь I и будут действовать на приемный кварц

только через -п, т. е. тогда, когда на

аноде усилительной лампы будет положительная фаза.

Если, например, частоту излучаемых колебаний взять /° 1,5 10, JOB этом случае длина упругой волны в металле будет равна:

5-105

1

- 0,33 см.

/в 1,5 10

Для исследуемых деталей толщиной 5 см частота модуляции должна быть взята равной

. с 5 10

5- 10. /

2Г

10

Если металл однороден и, следовательно, кратчайший дуть колебаний есть прямая линия, TJO при модуляции частотой, взятой по указанному расчету, мы должны получить в приемном устройстве максимум эффекта.

Положим теперь, что на пути распространения упругих волн имеется неоднородно сть. Вследствие этого колебания частично отразятся, а частично обогнут эту неоднородность и придут к приемному устройству уже с запозданием по фазе, так как распространение их в этом случае не будет по прямой линии, и, следовательно, их действие на приемное устройство в этом случае будет иметь местб за время, меньшее, чем продолжительность одного полупериода модуляции. Таким образом, эффект в

приемном устройстве в последнем случае будет на некоторый нроцент слабее, чем в первом случае, когда неоднородность отсутствует.

Для очень толстых исследуемых деталей целесообразно брать частоту мо с дуляции из расчета / -jj-,

Подобный же способ исследования неоднородностей может быть осуществлен и несколько иначе, а именно по принципу ультразвукового эхо-лота, причем в этом случае дело идет об измерении времени прохождения через толщу металла туда и обратно, как это показано на фиг. 2. Приемником в этом способе служит одна и та же излучающая кварцевая пластина 1.

Как указывалось выше, для прохождения в данной среде пути I требуется

время t, равное - . В случае отражения волны и возврата ее к кварцевой пластине 1 потребное время для прохождения ультраакустическо и волны

97

будет в два раза больше, т. е. 2 -.

Генератор модулируется частотой, период которой равен времени At, т. е.

/ -77-т, Модуляционное устройство 6

должно позволять иметь генерацию от генератора 4 за положительную фазу модуляции и не срывать генерации за отрицательную фазу модуляции.

Таким образом, ко времени прихода обратной ультразвуковой волны к кварцевой пластине 1 генератор 4 не будет генерировать и, следовательно, он будет служить только приемником. Поэтому, в контуре 5, связанном с генератором индуктивно, получится при совпадении фаз по расчету максимальное значение. При наличии раковины внутри металла, находящейся на пути ультразвукового луча, время t прохождения луча в прямом и обратном направлении будет больше и, следовательно, будет иметь место несовпадение фаз с 1енерацией и получится другое значение показаний приемного устройства.

Необходимо отметить, что при всех этих методах декремент затухания кварцевых пластин должен быть возможно большим и схема всего устройства осуществлена таким образом, чтобы на приемнике и на генераторе в точках присоединения фазы напряжений модуляции отличались точно на 180°. Для осуществления такой схемы возможно использовать ряд разработанных и уже известных в радиотехнике схем. С помощью катодного осциллографа фаза легко может быть установлена.

Однако, необходимо отметить, что хотя вышеописанные способы и позволяют установить по максимуму или минимуму показаний приемника наличие неоднородности внутри металла, но этим самым еще нельзя полностью избавиться от нежелательного явления многократных отражений ультразвуковых колебаний от граней исследуемой детали и соответствующего их вредного влияния. Для устранения этого явления схема должна быть иной.

Явление многократных внутренних отражений во всем напоминает явление реверберации в замкнутом помещении. Время длительности колебаний может в данном случае измеряться тысячными долями секунды. Соверщенно очевидно, что наличие столь длительного колебания очень сильно искажает действительную картину наблюдения.

Для избавления от влияния этого нежелательного явления генератор высокой частоты возбуждается снова на очень короткий промежуток времени, который должен быть порядка 10 сек. для небольших деталей. Приемное устройство должно быть в соответствующий момент включено, примерно, на такой же промежуток времени или, что лучще, на промежуток, меньщий, после чего и генератор и приемник о&таются выключенными на значительный промежуток времени, примерно на время в 0,01 сек., затем процесс повторяется снова. За время в 10 сек. колебания в образце успевают полностью затухнуть, так что за следующий период весь процесс колебаний начинается вновь. Приемноеустройство может быть осуществлено или с помощью пьезоэлектрической кварцевой пластины и усилителя или же с помощью оптического устройства на основе явления дифракции света.

Моменты включения генератора и приемника не должны совпадать. Во всяком случае приёмное устройство должно включаться в момент прихода колебания в точку приема и своевременно выключаться в случаях запаздывания колебаний по причине встретившейся на их пути неоднородности с тем, чтобы избегнуть фиксации запоздавших колебаний. Способ кратковременного включения генератора и приемника осуществляется с помощью диска, вращающегося со скоростью оборотов в секунду. В осуществленной опытной установке диск, на окружности которого были вырезаны два отверстия (щели) шириной 1-2 мм, имеет диаметр, равный 75 см. Через одно отверстие свет проходил и падал на фотоэлемент. Через другое отверстие свет от другого источника проходил снизу через кюветку с жидкостью. Напряжение на фотоэлементе усиливалось и подавалось на модуляционное устройство.

Продолжительность импульса,за время которого генератор действовал, может быть исчислена, исходя из размеров диска, щели и числа оборотов:

2«/г„

где а-ширина щели, / -радиус диска, п - число его оборотов в минуту.

Необходимо отметить, что постоянные электрических цепей усилителя, декременты затухания контура генератора и кварцевой пластины должны быть выбраны таким образом, чтобы время нарастания и затухания колебаний было возможно малым, во всяком случае, меньшим, чем продолжительность включения генератора и приемника.

Тот же результат может быть получен в устройстве, изображенном на фиг. 3. Кварцевый вибратор возбуждается от обычного генератора 4 высокой частоты, частота которого быстро меняется .на 10-15% от основной. Изменение частоты генератора осуществляется путем быстрого изменения емкости колебательного контура, что легко осуществить с помощыО вращающегося конденсатора, насаженного на ось небольшого электродвигателя 7. Модулированные таким способом колебания подводятся к кварцевому вибратору 1 и ультразвуковые колебания принимаются обычным способом, т, е. кварцевым резонатором 2 и усилителем.

На выходе усилителя приемника 5 в телефоне слышен сложный тон некоторой частоты. Если ультразвуковые колебания проходят в металле более длинный путь, тон в телефоне понижается, при прохождении более укороченного пути тон, наоборот, повышается и, наконец, при отключении передающего или приемного кварца тон в телефоне исчезает.

Появление тона в телефоне, когда прием осуществляется через посредство ультразвуковых колебаний, необходимо отнести за счет биений, образованных разностью частот , где / - частота генератора в момент излучения и /2 - частота генератора в момент прихода ультраакустического луча к кварцевому приемнику.

При распространении колебаний в металле разность частот / будет зависеть от длины пути, проходимого колебанием. Таким образом, изменение длины пути

луча будет сказываться на изменении высоты тона в телефоне, а именно: наличию неоднородности будет соответствовать увеличенный путь луча, а следовательно, более низкий тон в теле фоне, однородному же металлу, наоборот,- укороченный путь луча, а следовательно, тон в телефоне более высокий.

Предмет изобретения.

1.Способ исследования тел упругими или электромагнитными волнами, отличающийся тем, что источник упругих или электромагнитных лучей модулируют частотой, период которой равен времени прохождения лучом расстояния от заданной точки до исследуемого места или удвоенному значению этоговремени, а приемное устройство приходит в действие только в моменты прихода луча к телу с целью обнаружения раковин по несовпадению фаз отраженного и прямого лучей.

2.Видоизменение способа по п. 1, отличающееся тем, что для передачи и приема используют одну и ту же пьезо-пластинку.

ПЭиг

Сриг.Е